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DE102008058190A1 - Two-piece piston for an internal combustion engine - Google Patents

Two-piece piston for an internal combustion engine Download PDF

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DE102008058190A1
DE102008058190A1 DE102008058190A DE102008058190A DE102008058190A1 DE 102008058190 A1 DE102008058190 A1 DE 102008058190A1 DE 102008058190 A DE102008058190 A DE 102008058190A DE 102008058190 A DE102008058190 A DE 102008058190A DE 102008058190 A1 DE102008058190 A1 DE 102008058190A1
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Mahle International GmbH
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Abstract

Es wird ein zweiteiliger, gekühlter Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenoberteil 2 und einem Kolbenunterteil 6 vorgeschlagen, bei dem die Kolbenteile über einen am Kolbenoberteil 2 angeordneten Gewindebolzen 26 und eine in das Kolbenunterteil 6 eingearbeitete Gewindebohrung 29 zusammengeschraubt werden. Das Material des Gewindebolzens 26 weist zur Verbesserung seiner Festigkeit eine gegenüber dem restlichen Kolbenmaterial höhere Streckgrenze auf. Die Erhöhung der Streckgrenze wird durch eine bleibende Dehnung des Gewindebolzens 26 in axialer Richtung von näherungsweise 1% ihrer Länge erreicht.A two-part, cooled piston 1 for an internal combustion engine with a piston upper part 2 and a piston lower part 6 is proposed, in which the piston parts are screwed together via a threaded bolt 26 arranged on the piston upper part 2 and a threaded bore 29 incorporated in the piston lower part 6. The material of the threaded bolt 26 has to improve its strength compared to the rest of the piston material higher yield strength. The increase in the yield strength is achieved by a permanent elongation of the threaded bolt 26 in the axial direction of approximately 1% of its length.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen zweiteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to a two-part piston for a Internal combustion engine according to the preamble of claim 1.

Aus der Offenlegungsschrift DE 102 57 022 A1 ist ein zweiteiliger, gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil bekannt, bei dem die Kolbenteile über einen am Kolbenoberteil angeordneten Gewindebolzen und eine in das Kolbenunterteil eingearbeitete Gewindebohrung zusammengeschraubt werden. Nachteilig ist hierbei, dass im Motorbetrieb auf den Gewindebolzen eine über die Streckgrenze des Gewindebolzenmaterials hinausgehende, axial gerichtete Kraft ausgeübt werden kann, die zu einer bleibenden Längsdehnung des Gewindebolzens und damit zu einer Lockerung der Schraubverbindung zwischen dem Oberteil und dem Unterteil des Kolbens führt.From the publication DE 102 57 022 A1 is a two-piece, cooled piston for an internal combustion engine with a piston upper part and a piston lower part is known, in which the piston parts are screwed together via a threaded piston arranged on the piston head and a threaded bore incorporated into the piston lower part. The disadvantage here is that in engine operation on the threaded bolt beyond the yield strength of the threaded bolt material, axially directed force can be exercised, which leads to a permanent longitudinal expansion of the threaded bolt and thus to a loosening of the screw connection between the upper part and the lower part of the piston.

Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe mit dem im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmal. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.this Disadvantage of the prior art is the object of the invention. The problem is solved with the in the characterizing part of the main claim standing feature. Advantageous embodiments The invention are the subject of the dependent claims.

Hierbei wird durch eine plastische Verformung des Gewindebolzens in axialer Richtung erreicht, dass die Streckgrenze des Gewindebolzenmaterials so weit erhöht wird, dass bei der im Motorbetrieb üblichen Zugbeanspruchung der Gewindebolzen keine Gefahr der Plastifizierung des Gewindebolzenmaterials und damit der Lockerung der Schraubverbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil besteht.in this connection is by a plastic deformation of the threaded bolt in the axial Direction achieved that the yield point of the threaded bolt material is increased so much that at the usual in engine operation Tensile stress of the threaded bolt no risk of plasticization the threaded bolt material and thus the loosening of the screw exists between piston upper part and piston lower part.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Sie zeigt ein Schnittbild eines Kolbens, dessen linke Hälfte einen Halbschnitt des Kolbens in Bolzenrichtung und dessen rechte Hälfte einen Halbschnitt des Kolbens in Druck-Gegendruck-Richtung darstellt.One Embodiment of the invention will be described below described the drawing. It shows a sectional view of a piston, its left half a half-section of the piston in the bolt direction and its right half a half-section of the piston in pressure-back pressure direction represents.

In der Figur ist ein zweiteiliger gekühlter Kolben 1 dargestellt, der aus einem Kolbenoberteil 2, das eine Verbrennungsmulde 3 und eine Ringwand 4 mit einer Ringpartie 5 aufweist, und aus einem Kolbenunterteil 6 besteht, das einen kastenförmigen Kolbenschaft 7 und zwei damit verbundene Bolzennaben 8 mit je einer Bolzenbohrung 9 zur Aufnahme eines in der Figur nicht dargestellten Kolbenbolzens umfasst. Das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 6 begrenzen einen äußeren ringförmigen Kühlkanal 10 und einen konzentrisch dazu angeordneten, inneren Kühlkanal 11, wobei der äußere Kühlkanal 10 mindestens eine Zuflussöffnung 12 zum Einleiten von Kühlöl aufweist und über mindestens einen Überlaufkanal 13 mit dem inneren Kühlkanal 11 verbunden ist. Dieser Überlaufkanal 13 kann als Bohrung ausgebildet sein. Beispielsweise können hierbei zwei einander gegenüberliegende Überlaufkanäle 13 vorgesehen sein. Der innere Kühlkanal 11 weist mindestens eine Ablaufbohrung 14 auf, über die das Kühlöl aus dem inneren Kühlkanal 11 austreten kann.In the figure is a two-piece cooled piston 1 shown, which consists of a piston upper part 2 that is a combustion chamber 3 and a ring wall 4 with a ring part 5 and a piston lower part 6 which consists of a box-shaped piston stem 7 and two associated pin bosses 8th each with a bolt hole 9 for receiving a piston pin, not shown in the figure. The piston upper part 2 and the piston lower part 6 limit an outer annular cooling channel 10 and a concentric inner cooling channel 11 , wherein the outer cooling channel 10 at least one inflow opening 12 for introducing cooling oil and at least one overflow channel 13 with the inner cooling channel 11 connected is. This overflow channel 13 can be designed as a bore. For example, in this case two opposing overflow channels 13 be provided. The inner cooling channel 11 has at least one drain hole 14 on, over which the cooling oil from the inner cooling channel 11 can escape.

Das Kolbenoberteil 2 ist hierbei zum einen über eine ringförmige Auflagefläche 15, die auf der der Verbrennungsmulde 3 abgewandten Seite des Kolbenoberteiles 2 angeordnet ist, auf einer oberen Auflagefläche 16 einer ringförmigen Tragrippe 17 des Kolbenunterteils 6 und zum anderen über eine sich auf der Unterseite der Ringwand 4 befindende Querschnittsfläche 18 auf einer oberen Querschnittsfläche 19 eines ringförmigen Tragsteges 20 des Kolbenunterteiles 6 gelagert. Hierbei bilden die Auflageflächen 15 und 16 eine innere, ebene und horizontal angeordnete, bzw. dach- oder tellerförmig ausgebildete Auflage 21 und die Querschnittsflächen 18 und 19 eine zur inneren Auflage 21 koaxial und horizontal angeordnete, bzw. ebenfalls dach- oder tellerförmig ausgebildete, äußere Auflage 22.The piston upper part 2 is here on the one hand via an annular bearing surface 15 on the combustion bowl 3 opposite side of the piston upper part 2 is arranged on an upper support surface 16 an annular support rib 17 of the piston lower part 6 and on the other hand over one on the bottom of the ring wall 4 located cross-sectional area 18 on an upper cross-sectional area 19 an annular support bar 20 of the piston lower part 6 stored. Here are the bearing surfaces 15 and 16 an inner, level and horizontally arranged, or roof or plate-shaped support 21 and the cross-sectional areas 18 and 19 one to the inner circulation 21 coaxially and horizontally arranged, or also roof or plate-shaped, outer edition 22 ,

Der Tragsteg 20 ist stufenförmig ausgebildet, sodass das Kolbenoberteil 2 über eine in die Innenseite des unteren Teiles der Ringwand 4 eingearbeitete, zylinderförmige Ausnehmung 23 dadurch zentriert werden kann, dass beim Zusammenbau von Kolbenober- und -unterteil die Innenwand der zylinderförmigen Ausnehmung 23 mit der zylinderförmigen Stirnseite 24 des Tragsteges 20 in Kontakt kommt, wobei erforderlich ist, dass der Innendurchmesser der zylinderförmigen Ausnehmung 23 um ein solches Toleranzmaß größer ist als der Außendurchmesser der zylinderförmigen Stirnseite 24 des Tragsteges 20, dass eine problemlose Montage des Oberteils 2 auf das Unterteil 6 gewährleistet ist.The carrying bridge 20 is stepped, so that the piston upper part 2 via one into the inside of the lower part of the ring wall 4 integrated, cylindrical recess 23 can be centered by the fact that during assembly of Kolbenober- and -unterteil the inner wall of the cylindrical recess 23 with the cylindrical front side 24 of the carrying bridge 20 comes into contact, wherein it is necessary that the inner diameter of the cylindrical recess 23 such a tolerance measure is greater than the outer diameter of the cylindrical end face 24 of the carrying bridge 20 that a trouble-free assembly of the upper part 2 on the lower part 6 is guaranteed.

Auf der der Verbrennungsmulde 3 abgewandten Seite weist das Kolbenoberteil 2 einen mittig und koaxial zur Längsachse 25 des Kolbens 1 angeordneten Bolzen 26 auf, dessen Ende 27 mit einem Gewinde 28 versehen ist. Der Bereich 31 zwischen der ringförmigen Tragrippe 17 des Kolbenunterteils 6, der gemeinsam mit dem Kolbenoberteil 2 den inneren Kühlkanal 11 begrenzt, ist relativ dünnwandig ausgebildet und ist in seiner Mitte mit einer koaxial zur Längsachse 25 des Kolbens 1 angeordneten Bohrung 29 versehen, die ein auf das Gewinde 28 des Bolzens 26 passendes Innengewinde 30 aufweist.On the combustion bowl 3 facing away from the piston upper part 2 one central and coaxial with the longitudinal axis 25 of the piston 1 arranged bolts 26 on, its end 27 with a thread 28 is provided. The area 31 between the annular support rib 17 of the piston lower part 6 , which works together with the piston upper part 2 the inner cooling channel 11 limited, is formed relatively thin-walled and is in its center with a coaxial with the longitudinal axis 25 of the piston 1 arranged bore 29 provided one on the thread 28 of the bolt 26 matching internal thread 30 having.

Dies ermöglicht, dass bei der Montage des Kolbens 1 lediglich der Gewindebolzen 26 des Kolbenoberteils 2 in die Gewindebohrung 29 des Bereiches 31 eingeschraubt werden muss. Hierbei bewirkt die Elastizität des relativ dünnwandigen Bereiches 31, dass dieser sich beim Zusammenschrauben von Kolbenober- und -unterteil wie eine Tellerfeder verformt und sich das innere, mit der Gewindebohrung 29 versehene Zentrum des Bereiches 31 in Richtung Kolbenoberteil 2 aufwölbt. Zusätzlich verlängert sich bei der Montage der gewindelose Dehnschaft des Gewindebolzens 26, wodurch eine weitere Verbesserung der Sicherheit des Sitzes des Kolbenoberteiles 2 auf dem Kolbenunterteil 6 erreicht wird. Hierbei werden sowohl die Auflageflächen 15 und 16 der inneren Auflage 21 als auch die Querschnittsflächen 18 und 19 der äußeren Auflage 22 aufeinandergepresst, wodurch der innere und der äußere Kühlkanal 10 und 11 abgedichtet werden. Die Festigkeit der Montage von Kolbenober- und -unterteil wird damit so weit vergrößert, dass eine zusätzliche Mutter, bzw. Kontermutter zum Erreichen einer dauerhaften Montageverbindung nicht erforderlich ist. Versuche haben gezeigt, dass unter allen denkbaren Betriebsbedingungen eine ausreichende Vorspannung der beiden Teile des Kolbens gewährleistet ist.This allows for the assembly of the piston 1 only the threaded bolt 26 of the piston top 2 into the threaded hole 29 of the area 31 must be screwed. This causes the elasticity of the relatively thin-walled area 31 that this is when screwing together Piston top and bottom deformed like a diaphragm spring and the inner, with the threaded hole 29 provided center of the area 31 in the direction of the piston upper part 2 bulges. In addition, when mounting the threadless expansion shaft of the threaded bolt extended 26 , thereby further improving the safety of the seat of the piston upper part 2 on the piston lower part 6 is reached. Here are both the bearing surfaces 15 and 16 the inner edition 21 as well as the cross-sectional areas 18 and 19 the outer edition 22 pressed together, whereby the inner and the outer cooling channel 10 and 11 be sealed. The strength of the assembly of Kolbenober- and -unterteil is thus increased so that an additional nut or lock nut to achieve a permanent mounting connection is not required. Experiments have shown that under all conceivable operating conditions a sufficient bias of the two parts of the piston is guaranteed.

Das Kolbenoberteil 2 besteht aus einem oxidationsbeständigen und warmfesten Werkstoff. Das Kolbenunterteil 6 besteht aus einem ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Vergütungsstahl.The piston upper part 2 consists of an oxidation-resistant and heat-resistant material. The piston lower part 6 consists of a precipitation-hardening ferritic-perlitic tempering steel.

Im Motorbetrieb besteht hierbei die Gefahr, dass insbesondere beim Ansaugtakt auf den Bolzen 26 eine über die Streckgrenze des Bolzenmaterials hinausgehende Kraft in Richtung des Pfeils 32 ausgeübt wird, die zu einer bleibenden Längsdehnung dieses Materials und damit zu einer Lockerung der Schraubverbindung zwischen Kolbenoberteil 2 und Kolbenunterteil 6 des Kolbens 1 führt. Deshalb wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Streckgrenze des Bolzenmaterials dadurch zu erhöhen, dass der Bolzen im kalten Zustand einer kontrollierten Zugbeanspruchung unterzogen wird, wodurch er eine bleibende Dehnung in axialer Richtung von näherungsweise 1% seiner Länge erfährt, ohne dass die Duktilität des Bolzenmaterials dabei beeinträchtigt wird.In engine operation, there is a risk that, in particular during the intake stroke on the bolt 26 a force beyond the yield point of the bolt material in the direction of the arrow 32 is exercised, leading to a permanent longitudinal expansion of this material and thus to a loosening of the screw connection between the piston upper part 2 and piston base 6 of the piston 1 leads. Therefore, according to the invention, it is proposed to increase the yield strength of the bolt material by subjecting the bolt to a controlled tensile stress in the cold state, whereby it experiences a permanent axial elongation of approximately 1% of its length, without the ductility of the bolt material thereby is impaired.

11
Kolbenpiston
22
KolbenoberteilPiston crown
33
Verbrennungsmuldecombustion bowl
44
Ringwandring wall
55
Ringpartiering belt
66
KolbenunterteilPiston part
77
Kolbenschaftpiston shaft
88th
Bolzennabepin boss
99
Bolzenbohrungpin bore
1010
äußerer Kühlkanalouter cooling channel
1111
innerer Kühlkanalinternal cooling channel
1212
Zuflussöffnunginflow opening
1313
Überlaufkanal, BohrungOverflow channel, drilling
1414
Ablaufbohrungdrain hole
1515
Auflagefläche des Kolbenoberteils 2 Support surface of the piston upper part 2
1616
Auflagefläche des Kolbenunterteils 6 Support surface of the piston lower part 6
1717
Tragrippesupporting rib
1818
Querschnittsfläche des Kolbenoberteils 2 Cross-sectional area of the upper piston part 2
1919
Querschnittsfläche des Kolbenunterteils 6 Cross-sectional area of the piston lower part 6
2020
Tragstegcarrying web
2121
innere Auflageinner edition
2222
äußere Auflageouter edition
2323
Ausnehmung der Ringwand 4 Recess of the annular wall 4
2424
Stirnseite des Tragsteges 20 Front side of the support bar 20
2525
Längsachse des Kolbens 1 Longitudinal axis of the piston 1
2626
Bolzen, GewindebolzenBolt, threaded bolt
2727
Ende des Bolzens 26 End of the bolt 26
2828
Gewindethread
2929
Bohrung, GewindebohrungDrilling, threaded hole
3030
Innengewinde der Bohrung 29 Internal thread of the bore 29
3131
Bereich zwischen der Tragrippe 17 Area between the support rib 17
3232
Pfeilarrow

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10257022 A1 [0002] - DE 10257022 A1 [0002]

Claims (4)

Zweiteiliger, gekühlter Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor bestehend aus einem Kolbenoberteil (2) mit einer Ringwand (4) und einer Ringpartie (5) und aus einem Kolbenunterteil (6), das mit dem Kolbenoberteil (2) einen äußeren, ringförmigen (10) und zudem einen konzentrisch dazu angeordneten, inneren ringförmigen Kühlkanal (11) bildet, und das einen kastenförmigen Kolbenschaft (7) mit zwei damit verbundene Bolzennaben (8) umfasst, wobei das Kolbenoberteil (2) auf der dem Kolbenunterteil (6) zugewandten Seite einen koaxial zur Längsachse (25) des Kolbens (1) angeordneten Gewindebolzen (26) und das Kolbenunterteil (6) auf der dem Kolbenoberteil (2) zugewandten Seite eine koaxial zur Kolbenlängsachse (25) angeordnete Gewindebohrung (29) mit einem auf das Gewinde (28) des Gewindebolzens (26) passenden Innengewinde (30) aufweist, und wobei der Gewindebolzen (26) und die Gewindebohrung (29) derart angeordnet sind, dass zur Montage des Kolbenoberteils (2) mit dem Kolbenunterteil (6) der Gewindebolzen (26) in die Gewindebohrung (29) einschraubbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem der Gewindebolzen (26) besteht, eine im Vergleich zum restlichen Kolbenmaterial höhere Streckgrenze aufweist.Two-piece, cooled piston ( 1 ) for an internal combustion engine comprising a piston upper part ( 2 ) with an annular wall ( 4 ) and a ring part ( 5 ) and a piston lower part ( 6 ), which with the piston upper part ( 2 ) an outer, annular ( 10 ) and also a concentrically arranged, inner annular cooling channel ( 11 ), and a box-shaped piston skirt ( 7 ) with two associated pin bosses ( 8th ), wherein the piston upper part ( 2 ) on the piston lower part ( 6 ) facing side coaxial with the longitudinal axis ( 25 ) of the piston ( 1 ) threaded bolts ( 26 ) and the piston lower part ( 6 ) on the piston upper part ( 2 ) facing side coaxial with the piston longitudinal axis ( 25 ) threaded bore ( 29 ) with one on the thread ( 28 ) of the threaded bolt ( 26 ) matching internal thread ( 30 ), and wherein the threaded bolt ( 26 ) and the threaded hole ( 29 ) are arranged such that for mounting the piston upper part ( 2 ) with the piston lower part ( 6 ) of the threaded bolt ( 26 ) into the threaded hole ( 29 ) is screwed, characterized in that the material from which the threaded bolt ( 26 ), has a higher yield strength compared to the rest of the piston material. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Streckgrenze der Gewindebolzen (26) ausgehend vom fertig hergestellten Kolbenoberteil (6) um 0,5% bis 5% seiner Länge in axialer Richtung plastisch verformt wird.Piston ( 1 ) according to claim 1, characterized in that to increase the yield strength of the threaded bolt ( 26 ) starting from the finished piston upper part ( 6 ) is plastically deformed by 0.5% to 5% of its length in the axial direction. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Streckgrenze der Gewindebolzen (26) ausgehend vom fertig hergestellten Kolbenoberteil (6) um näherungsweise 1% seiner Länge in axialer Richtung plastisch verformt ist.Piston ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that to increase the yield strength of the threaded bolt ( 26 ) starting from the finished piston upper part ( 6 ) is plastically deformed by approximately 1% of its length in the axial direction. Kolben (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Streckgrenze der Gewindebolzen (26) ausgehend vom fertig hergestellten Kolbenunterteil (6) in axialer Richtung gedehnt ist.Piston ( 1 ) according to claim 2 or 3, characterized in that to increase the yield strength of the threaded bolt ( 26 ) starting from the finished piston lower part ( 6 ) is stretched in the axial direction.
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